台湾利吉混杂岩中蛇纹岩伴生碳酸盐岩地球化学特征及其成因分析.pdf

随着全球气候变暖,生命元素 C 在地球各个系统的循环受到了越来越多的关注,俯冲带是地表 C 和深源 C 循环的重要场所,发育于俯冲带的蛇纹岩伴生碳酸盐岩和渗漏流体对生命的起源及全球 C 循环研究具有重要意义。台湾东部(简称台东)海岸山脉新生代利吉混杂岩中发育具有沉积特征的蛇纹岩碎屑角砾岩及具有较轻C同位素组成的伴生碳酸盐岩,其成因可能与马里亚纳弧前海底蛇纹岩泥火山和自生碳酸盐岩相似。本研究对台东 3 个蛇纹岩出露点发育的碳酸盐岩脉进行岩石学、矿物学及地球化学分析,探讨蛇纹岩伴生碳酸盐岩脉的成因。台东利吉蛇纹岩角砾碎屑岩伴生的碳酸盐岩,发育泥微晶团粒、凝块以及放射纤维状方解石和草莓状黄铁矿,总有机碳含量较高(0.11%0.25%),可能与微生物介导的 CH4厌氧氧化作用有关。利吉桥头剖面蛇纹岩巨砾中的方解石脉 13C 为17.80.7,十三领碳酸盐岩 13C 为12.8 10.7,指示碳源很可能包括无机成因 CH4的氧化与海水源碳的混合。虎头山蛇纹岩角砾中方解石脉 13C 为3.42.9,指示碳源主要来自海水。这 2 类方解石脉大多具有平坦型 REE 配分模式和 Eu 异常特征,指示方解石脉可能形成于蛇纹岩泥火山海底蛇纹岩化流体渗漏环境。方解石脉显示 Ce 负异常与无异常特征,表明了复杂多变的氧化还原环境。因此,台东碎屑蛇纹岩中伴生碳酸盐岩脉可能是蛇纹岩化渗漏流体在海底附近与海水混合所致,部分可能存在无机成因 CH4的微生物厌氧氧化作用的参与。关键词:蛇纹岩;碳酸盐脉;成因;台东 中图分类号:P571;P581 文献标志码:A 文章编号:0379-1726(2023)02-0222-16 DOI:10.19700/j.0379-1726.2023.02.008 Geochemical characteristics and genesis of carbonates associated with serpentines in the Lichi Mlange,Taiwan,China LI Hongli1,FENG Junxi2,3,TONG Hongpeng1*,WANG Qinxian1,CHEN Duofu1,2(1.College of Marine Ecology and Environment/College of Marine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology,Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,Guangdong,China;3.Guangzhou Marine Geological Survey,China Geological Survey,Guangzhou 510075,Guangdong,China)Abstract:With the worsening of global warming,the carbon cycle in earth systems has received increased attention.The subduction zone is an important point at which carbon cycles from surface to deep.Moreover,in this zone,fluid seepage and authigenic carbonates associated with serpentinite mud volcanos may be related to the origin of life.The serpentine breccia,which exhibit sedimentary characteristics and carbonate veins with extremely light carbon isotopic compositions in the Cenozoic Lichi Mlange in the coastal mountains of Eastern Taiwan,may have similar formation mechanisms as submarine serpentine mud volcanos and authigenic carbonates on the seafloor of 第 2 期 李鸿莉等:台湾利吉混杂岩中蛇纹岩伴生碳酸盐岩地球化学特征及其成因分析 223 Geochimica Vol.52 No.2 pp.222237 Mar.,2023 the Mariana forearc.Carbonate vein samples were collected from three serpentinite outcrops in Eastern Taiwan to investigate their petrology and geochemistry.Sedimentary fabrics such as peloids,clotted microfabrics,radiaxial texture,and framboidal pyrite grains are common in the carbonate veins,indicating that biogenic fabrics were produced during microbial oxidation of methane.The high total organic carbon content(0.11%to 0.25%)may be an implicit indicator of microorganism participation.The 13C values of calcite veins in the serpentine boulders at Qiutou ranged from 17.8 to 0.7 and at Shisanling range from 12.8 to 10.7,indicating that the carbon source is a mixture of inorganic methane and seawater.13C of calcite veins in Hutoushan serpentine breccia range from 3.4 to 2.9,which suggests that the carbon source is mainly seawater.Most of these two types of calcite veins have flat distribution patterns of rare earth elements and show Eu anomalies,suggesting that they formed in an alkaline fluid environment near the seafloor of the serpentinite mud volcanoes.Calcite veins show negative Ce anomaly and Ce non-anomaly characteristics,indicating the presence of a complex and changeable redox environment.Thus,carbonate veins in serpentine breccia may be formed by the mixing of seepage fluid associated with serpentinization and seawater near the seafloor,which is possibly complemented by microbial anoxic oxidation of abiogenic methane.Key words:serpentine;carbonate vein;formation;Eastern Taiwan 0 引 言 随着全球变暖及碳节能减排问题的日益突出,地球内部各系统间的碳循环问题受到了越来越多的关注(刘勇胜等,2019)。板块俯冲是地表碳和深源碳循环的重要途径,俯冲带碳循环是调节大气 CO2浓度并影响全球气候变化的重要因素(Sleep and Zahnle,2001;Ague and Nicolescu,2014;Kelemen and Manning,2015;Piccoli et al.,2016;Barry et al.,2019)。俯冲带亦是地球蛇纹岩化发生的主要场所之一。蛇纹岩化是自然界最常见的蚀变反应类型,蚀变产物主要为蛇纹石、水镁石、滑石、磁铁矿和 H2,同时释放热量(余星等,2011;Evans et al.,2013)。该体系中有 C存在时,以Fe-Ni合金、铬铁矿以及磁铁矿等为催化剂,通过费托反应或萨巴蒂尔反应形成无机成因 CH4和低分子量烷烃化合物(Hu et al.,1998;Proskurowski et al.,2008;Bradley and Summons,2010;Schrenk et al.,2013)。据估计每年约有(1.12.7)1012 g 来自深部微生物的有机碳和来自海水的无机碳以碳酸盐的形式存储在大洋蛇纹岩中(Schwarzenbach et al.,2013)。因此,研究与蛇纹岩化相关的碳酸盐岩成因机制,有助于深入认识全球碳循环过程。俯冲带俯冲板片脱水产生的流体导致上驮板块地幔楔橄榄岩发生蛇纹岩化,作为主要蚀变产物的蛇纹岩沿断裂通道上升形成底辟,甚至喷出海底,在弧前区海底形成蛇纹岩泥火山(Fryer,2012)。蛇纹岩泥火山主要由泥粉砂蛇纹石基质、蛇纹岩角砾和蛇纹岩化橄榄岩角砾组成的具有沉积结构的蛇纹岩构成,含有少量基性岩和变质岩碎屑。由于其物质来源于俯冲带的深部,蛇纹岩泥火山被认为是观察板块俯冲过程的直接窗口,自发现后,与之相关的流体活动一直是海洋科学研究的热点(Fryer,2012)。马里亚纳弧前地区是已发现的唯一仍发育活跃流体活动的蛇纹岩泥火山,部分蛇纹岩泥火山顶部渗漏富 CH4的低温(约 2)碱性流体(pH 最高达 12.5)(Mottl et al.,2004),流体渗漏区海底发育由微生物菌席、贻贝、蛤、虾和螃蟹等组成的化能自养生物群(Schrenk et al.,2013)。同时这种与蛇纹岩化相关的深源流体在海底导致了自生碳酸盐岩和水镁石的沉积(Fryer et al.,1999;Mottl et al.,2003,2004;Hulme et al.,2010),部分自生碳酸盐岩的形成可能与古菌调控的无机成因 CH4厌氧氧化作用有关(Haggerty,1991;Mottl et al.,2003;Yamanaka et al.,2003;Gharib,2006)。由于与地球生命起源、潜在的油气资源及碳封存等重大问题有关,蛇纹岩泥火山海底流体活动及自生沉积受到越来越多的关注(Fryer,2012;Suess,2014;Wang et al.,2014)。地质历史时期的蛇纹岩泥火山被认为保存在汇聚大陆边缘弧前地层和混杂岩中,包括由层状蛇纹岩砂砾岩组成的碎屑堆积及由蛇纹岩角砾岩和巨大蛇纹岩岩块组成的滑塌堆积,从早太古代到晚新生代地层中均有发育(Campbell et al.,1993;Fryer et al.,1995,2000;Fujioka et al.,1995;Spaggiari et al.,2003;Pons et al.,2011;Grimmer and Greiling,2012)。这些沉积蛇纹岩的基质和裂隙中往往充填碳酸盐岩脉 224 2023 年 Geochimica Vol.52 No.2 pp.222237 Mar.,2023 和胶结物,同时发育自生碳酸盐岩块和化能自养生 物 化 石(Campbell et al.,1993;Campbell and Bottjer,1995;Fryer et al.,1995;Peckmann et al.,2013)。目前沉积成因蛇纹岩中伴生碳酸盐岩脉的相关研究还很少,仅有的结果显示它们记录了蛇纹岩化 渗 漏 流 体 及 有 关 生 物 地 球 化 学 作 用 的 信 号(Campbell et al.,2002;Birgel et al.,2006;Keenan,2010;Pons et al.,2011)。格陵兰 Isua 地区早太古代蛇纹岩泥火山伴生碳酸盐岩脉的 Zn 同位素指示母源流体的 CO2 3含量高,且具有高 pH 值,与马里亚纳距海沟较远的蛇纹岩泥火山渗漏流体特征相似(Pons et al.,2011)。美国加州海岸山脉 Wilbur Springs、Rice Valley 和 New Idia 地区的泥火山成因沉积蛇纹岩基质中含有纤维状方解石或文石,指示流体已渗漏到海底(Campbell and Bottjer,1995;Fryer et al.,1995)。并且,在 Wilbur Springs 和 Rice Valley地区的沉积蛇纹岩邻近的浊积岩中,发育 CH4等烃类厌氧氧化形成的自生碳酸盐岩块以及化能自养生物化石(Campbell et al.,1993;Campbell and Bottjer,1995)。此外,需指出在另一类自生碳酸盐岩大陆坡正常冷泉碳酸盐岩中,发育典型的泥微晶团粒与凝块、纤维状和等厚边及黄铁矿等微生物作用相关的沉积组构,同 时 C 稳 定同位素组成极负(Campbell et al.,2002;Keenan,2010)。但冷泉自生碳酸盐岩的脂类化合物研究认为,碳酸盐岩碳源的无机成因 CH4来源较少(Birgel et al.,2006)。台湾东部(台东)利吉混杂岩隶属于台湾海岸山脉,处于弧陆碰撞带,对其成因及其中蛇绿岩岩块来源一直存在诸多争议(Hsu,1977;Page and Suppe,1981;Yui and Jeng,1990;Liou et al.,1997)。李鸿莉等(2020)基于利吉蛇纹岩角砾碎屑岩具有典型沉积成因特征,提出利吉蛇纹岩角砾碎屑岩可能与马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山成因相似;同时,Al2O3-MgO-CaO含量显示它们很可能来自俯冲带上盘地幔楔,是北吕宋火山岛弧弧前基底形成的蛇纹岩通过泥火山作用喷出海底,最后经弧陆碰撞进入台湾利吉混杂岩带。关于利吉泥火山成因碎屑蛇纹岩基质和角砾发育的碳酸盐胶结物和碳酸盐岩脉,Yui and Jeng(1990)曾对台东利吉混杂岩中碳酸盐岩脉进行了 C 稳定同位素研究,蛇纹岩中方解石脉13C为20.61.9,认为碳源主要是海水无机碳、来自幔源的新生碳和来自利吉混杂带泥岩的有机碳;辉长岩中的方解石脉 13C 为54.5 14.6,碳源主要为周边泥岩的有机碳乃至 CH4。但是,早期研究认为方解石脉可能是在蛇绿岩侵位到利吉混杂岩之后,甚至在利吉混杂岩侵位至陆地后形成(Yui and Jeng,1990)。然而,从现代和古代蛇纹岩泥火山及其伴生碳酸盐岩的研究来看,这些碳酸盐脉的成因需重新厘定,其很可能与蛇纹岩化过程中形成的无机成因 CH4渗漏到海底附近,并经微生物厌氧氧化有关。蛇纹岩泥火山中形成的自生碳酸盐岩的碳源可能包括蛇纹岩化过程形成的无机成因 CH4与海水,不排除热成因甚至生物成因 CH4(Campbell et al.,2002;Birgel et al.,2006;Peckmann et al.,2013)。针对以上疑问,本研究对利吉蛇纹岩伴生碳酸盐岩开展了野外地质研究,并对采自 3 个蛇纹岩出露点的碳酸盐岩脉及胶结物样品开展了岩石学、矿物学和地球化学分析,探讨了蛇纹岩伴生碳酸盐岩的成因以及是否有蛇纹岩泥火山流体渗漏和无机成因 CH4的微生物厌氧氧化作用的参与。1 地质背景与分析方法 1.1 地质背景与样品采集 台湾岛位于欧亚板块与菲律宾海板块的汇聚边界,大致呈 SN 走向。以梨山荖浓溪断层和纵谷断层为界,台湾岛划分为 3 个地质构造单元,自 W 向E 依次为被动大陆边缘逆冲褶皱带(海岸平原西部麓山带雪山山脉)、弧陆碰撞前的俯冲增生楔(恒春半岛中央山脉)及逆冲火山岛弧弧前盆地(海岸山脉)(Huang et al.,2000,2006)。海岸山脉以 NNE-SSW走向贯穿于台湾岛东部边缘,形态狭长,SN 纵向长约 135 km,EW 横向平均宽度约达 10 km,平均海拔为 650 m。其西侧以台东纵谷与中央山脉为界,东侧直接面向菲律宾海。海岸山脉的岩性地层包括中新世早上新世都銮山层,不整合于都銮山层之上的上新世更新世大港口层和奇美层,以及晚中新世上新世利吉混杂岩。此外,在台东纵谷南端出露晚更新世河流相沉积(卑南山砾岩)。利吉混杂岩是台东海岸山脉的一部分,被认为是花东海脊的向北延伸,可能是遭受剪切破坏的早期弧前层序(Huang et al.,2008),其沉积年代为晚中新世上新世(图 1;Chen et al.,2015)。利吉混杂岩由遭受强烈剪切、具鳞片状叶理的泥质基质与许多大小各异、岩性不同的外来岩块组成(Hsu,1977;Page and Suppe,1981),这些岩块中的基性超基性岩岩块被称为东台湾蛇绿岩套,它们主要是蛇纹岩化橄榄岩、辉长岩和玄武岩(Liou et al.,1997)。台东利吉 第 2 期 李鸿莉等:台湾利吉混杂岩中蛇纹岩伴生碳酸盐岩地球化学特征及其成因分析 225 Geochimica Vol.52 No.2 pp.222237 Mar.,2023 混杂岩中包含的蛇纹岩主要有 3 种产状:关山地区出露较完整的蛇绿岩层序,蛇纹岩化超基性岩作为深成岩的一部分呈角砾产出;在利吉村附近的混杂岩带中零散发育块状蛇纹岩和蛇纹岩角砾碎屑岩;在虎头山附近的辉长岩岩块中分布蛇纹岩构造包体(Page and Suppe,1981;Yui and Jeng,1990;Liou et al.,1997)。利吉混杂岩蛇纹岩中广泛发育碳酸盐矿物。蛇纹岩伴生碳酸盐岩样品采自台湾省台东县利吉村附近的利吉桥头、利吉十三领和虎头山3 个出露点(图 1)。利吉桥头蛇纹岩位于利吉村以南、卑南大溪北侧的利吉大桥桥头,该处河谷陡崖的底部可见一块巨大的蛇纹岩岩块(又称为巨砾)和大量蛇纹岩角砾(图 2a)。蛇纹岩巨砾高约 6 m,其中发育高角度相交、12 cm 宽的网状灰白色碳酸盐岩脉(图 2b),蛇纹岩巨砾被 12 m 厚的蛇纹岩角砾碎屑岩层包围,碎屑蛇纹岩角砾大小为 1 mm10 cm,呈次棱角状到次圆状胶结在青灰色的粉砂质泥质蛇纹岩基质中(图 2c)。利吉十三领剖面蛇纹岩碎屑角砾岩出露于利吉村以北约 2 km 的卑南大溪东岸,发育蛇纹岩角砾碎屑岩层,厚约 1520 m,剖面风化比较严重,基质基本上都遭受蚀变(图 2d),蛇纹岩角砾保存完好,发育细小的碳酸盐岩脉(图 2d)。虎头山蛇纹岩碎屑角砾岩位于利吉大桥东南约5 km 的虎头山之上,部分蛇纹岩角砾磨圆度较好(图 2ef)。图 1 台湾利吉蛇纹岩采样位置图(据 Hsu,1977;Chen et al.,2015 修改)Fig.1 Map of the sampling sites of serpentines in Lichi of Taiwan 226 2023 年 Geochimica Vol.52 No.2 pp.222237 Mar.,2023 (a)利吉桥头蛇纹岩巨砾,内部发育方解石细脉;(b)右下侧边部为蛇纹岩碎屑角砾岩层;(c)发育灰黑色蛇纹岩角砾与青灰色粉砂质泥质蛇纹岩基质,下部有 2 个较大的磨圆度较高的角砾;(d)利吉十三领蛇纹岩角砾碎屑岩层,剖面风化比较严重,小图为蛇纹岩角砾,发育细小碳酸盐岩脉;(e)虎头山剖面上的蛇纹岩;(f)一个表面光滑的角砾,有较高的磨圆度。图 2 台湾利吉蛇纹岩碎屑角砾岩野外露头特征 Fig.2 Field outcrop characteristics of serpentine breccia in Lichi of Taiwan 1.2 分析方法 选取样品新鲜部分使用去离子水清洗干净,自然风干备用。选取典型样品制成光薄片进行岩石学研究。利用手持牙钻在手标本新鲜断面上钻取样品用于 C、O 同位素测试,部分钻取的粉末样品还用于稀土元素(REE)和微量元素测试。碳酸盐岩的 C、O 同位素分析采用磷酸法,在美国路易斯安那州立大学地球化学实验室通过 GV IsoPrim 型稳定同位素质谱仪测定,所有结果均相对于 V-PDB 标准,分析精度 13C 优于0.05,18O 优于0.08。碳酸盐岩样品的 REE和微量元素分析在中国科学院地球化学研究所完成。取约 50 mg 粉末样品,放入特氟龙杯中,用 5%醋酸溶解 2 h(Ge et al.,2010),使得碳酸盐矿物完全溶解,然后离心取上清液并转移至干净的特氟龙杯中,在电热板上加热蒸干,加 第 2 期 李鸿莉等:台湾利吉混杂岩中蛇纹岩伴生碳酸盐岩地球化学特征及其成因分析 227 Geochimica Vol.52 No.2 pp.222237 Mar.,2023 入 Rh 内标及稀硝酸,在 Perkin-Elmer Sciex ELAN 6000 ICP-MS 上测试。测定过程中用 GSR-1、OU-6、1633-a、GXR-2、GXR-5 标准样品对分析质量进行控制。测试精确度和准确度5%。碳酸盐岩的有机碳含量在中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学国家重点实验室使用Vario EI-III 型元素分析仪测试。将 500 mg 粉末样品放入 50 mL 离心管中加入过量 10%盐酸去除无机碳。样品静置约 12 h 后加入适量去离子水洗涤和离心,反复操作 4 次使上清液接近中性。洗涤好的样品烘干称重上机测试。测试精度和准确度优于 1%。2 结 果 2.1 岩石学特征 利吉桥头蛇纹岩中方解石脉由白色微晶、亮晶和灰黑色泥微晶方解石组成(图 2b、3a),泥微晶方解石完全或部分充填蛇纹岩的裂隙,残余空间为粒状亮晶方解石充填(图 3b)。粒状亮晶方解石晶体可达500 m,部分以泥微晶为基质生长(图 3c)。放射纤维状方解石集合体在方解石脉中常有发育,并与黑色泥微晶团粒共生,泥微晶团粒呈圆状到椭圆状,大小在 100400 m 之间(图 3d),团粒有时会集合成为凝块(图 3e),在荧光下显示出较强的荧光,指示富含有机质(图 3f)。少量的方解石脉发育半自形黄铁矿集合体,黄铁矿晶体小于 10 m(图 3g)。在蛇纹岩角砾碎屑岩的胶结物中常有少量方解石产出(图 3h)。虎头山蛇纹岩中的方解石脉包括粗脉和细脉 2种:粗脉主要由放射纤维状方解石组成,充填开放的孔隙空间(图 3i);细脉主要由粒状亮晶方解石组成,切割泥微晶方解石脉(图 3j),说明较细的亮晶方解石脉相对较晚形成。十三领碳酸盐岩以胶结物为主,微晶和微亮晶方解石胶结蛇纹岩角砾碎屑,并充填孔隙空间,发育较大亮晶方解石脉体(图 3kl)。2.2 C、O 同位素和总有机碳组成 利吉蛇纹岩伴生碳酸盐岩 C、O 同位素及总有机碳(TOC)组成见表 1。桥头蛇纹岩角砾碎屑岩中的碳酸盐岩 13C 值为17.80.7,18O 值为10.5 1.9;虎头山蛇纹岩中的碳酸盐岩脉 13C 值为3.42.9,18O 值为8.41.4;十三领蛇纹岩角砾碎屑岩中碳酸盐岩胶结物 13C值为12.8 10.7,18O值为9.7 8.9(图4)。13C与18O表现出弱负相关性,可能是由于后期改造作用,尤其是地表环境中大气降水通常会与碳酸盐岩发生O 同位素交换,而对 C 的影响较小的缘故。碳酸盐岩中的有机质含量较高,为 0.11%0.25%。2.3 REE 与微量元素 利吉蛇纹岩伴生碳酸盐岩 5%醋酸可溶相(碳酸盐矿物)的 REE 及微量元素分析结果见表 2。碳酸盐岩样品REE 较低,为 0.4613.10 g/g。利吉桥头蛇纹岩伴生方解石脉和胶结物的REE 为 0.46 13.10 g/g,虎头山蛇纹岩伴生方解石脉的REE 为1.062.77 g/g。碳酸盐岩样品 PAAS(后太古代澳大利亚平均页岩)标准化稀土元素配分模式相似(图 5),Ce 呈负异常及无异常(Ce/Ce*为=0.681.09),Eu 为明显负异常(Eu/Eu*=0.201.92)。对 La 异常进行校正(Bau and Dulski,1996;Shields and Webb,2004),显示无真 Ce负异常、真 Ce 负异常与 Ce 无异常(图 6)。蛇纹岩中不同组构的方解石样品 Sr 含量差别较大(表 2)。虎头山蛇纹岩中的方解石脉和利吉桥头蛇纹岩的方解石脉 L4-1 与 L4-2 样品中 Sr 含量较高(11445050 g/g)。Sr 在利吉桥头其他蛇纹岩的方解石脉样品中含量为 51.4959 g/g。同时,L4-1 与 L4-2 样品的 Mn/Sr 值最低(0.030.24),利吉桥头其他蛇纹岩伴生方解石脉样品的 Mn/Sr 值为 1.3530.20。碳酸盐中微量元素特别是 Ni、Cr、V、Mo、U和 Cd 等氧化还原敏感元素在不同样品及相同样品不同组分中的含量变化较大,在泥微晶方解石中含量普遍高于亮晶方解石(表 2)。利吉桥头和虎头山蛇纹岩中方解石脉 Ni含量为 23.5377 g/g,其中利吉桥头部分样品(L2-3、L3-3、L4-1、L4-2)与虎头山部分样品(H3-2)中 Ni 含量较低。3 讨 论 3.1 碳酸盐沉淀环境 与蛇纹岩伴生的碳酸盐岩成因早已备受关注,但至今仍存在诸多争议。早期有岩浆作用、接触或 区 域 变 质 作 用 和 风 化 成 壤 作 用 等 成 因 机 制(Artemyev and Zaykov,2010)。近年随着对现代海底蛇纹岩研究的深入,与海底蛇纹岩化流体活动准 228 2023 年 Geochimica Vol.52 No.2 pp.222237 Mar.,2023 (a)蛇纹岩开放裂隙中的方解石脉体手标本,白色和浅灰色方解石呈过渡关系;(b)正交偏光,泥微晶方解石(下部)及充填剩余空间的后期亮晶方解石(中部);(c)单偏光,下部的黑色泥微晶方解石与上部白色亮晶方解石呈过渡关系,亮晶方解石晶体可达 500 m;(d)单偏光,纤维状方解石晶体与泥微晶团粒(上部),左上角有少量棕色蛇纹石;(e)、(f)单偏光、荧光,泥微晶团粒、纤维状和微亮晶方解石,泥微晶团粒显示较强烈的荧光,表明其富含有机质;(g)反射光,方解石脉中的半自形黄铁矿集合体,黄铁矿晶体长度小于 10 m;(h)正交偏光,蛇纹岩碎屑角砾岩基质中少量的方解石;(i)单偏光,蛇纹岩碎屑角砾岩中较粗的碳酸盐岩脉,由形态模糊的纤维状方解石组成;(j)单偏光,蛇纹岩碎屑角砾岩中亮晶方解石脉切割泥微晶方解石脉;(k)正交偏光,蛇纹岩角砾碎屑岩中的微亮晶方解石脉;(l)正交偏光,蛇纹岩角砾碎屑岩基质中的微晶和微亮晶方解石。mc.泥微晶方解石;sc.亮晶方解石;fc.纤维状方解石;py.黄铁矿;serp.蛇纹岩;cal.微亮晶方解石。图 3 利吉桥头(ah)、虎头山(ij)和十三领(kl)蛇纹岩伴生碳酸盐岩的岩石学特征 Fig.3 Petrology of carbonate associated with serpentine of Qiutou,Hutoushan and Shishanling in Lichi 表 1 利吉蛇纹岩伴生碳酸盐岩的 C、O 同位素组成以及有机碳含量 Table 1 Carbon and oxygen isotopic composition and organic carbon content of carbonate associated with serpentinite in Lichi 编号 产状 13C()18O()TOC(%)编号 产状 13C()18O()TOC(%)L1-1 灰白色胶结物 3.8 0.5 L9-1 白色细脉 10.0 6.5 L1-2 灰白色胶结物 6.0 1.9 L9-2 粗脉中黑色泥微晶 10.7 10.0 L1-3 灰白色胶结物 4.0 0.4 L9-3 白色细脉 11.2 7.0 L1-4 白色细脉 7.0 8.4 H1-1 白色粗脉 0.4 1.0 L1-5 白色细脉 6.8 8.7 H1-2 白色细脉 0.9 5.0 L2-1 粗脉中灰黑色泥晶 10.8 4.6 H1-3 微晶细脉 0.5 1.5 第 2 期 李鸿莉等:台湾利吉混杂岩中蛇纹岩伴生碳酸盐岩地球化学特征及其成因分析 229 Geochimica Vol.52 No.2 pp.222237 Mar.,2023 续表 1:编号 产状 13C()18O()TOC(%)编号 产状 13C()18O()TOC(%)L2-2 粗脉中灰白色微亮晶 11.1 4.6 H1-4 白色细脉 0.6 6.4 L2-3 粗脉中白色亮晶 9.3 10.5 H1-5 白色粗脉 0.4 1.4 L2-4 粗脉中灰色泥晶 14.1 1.7 H1-6 白色粗脉 0.2 2.2 L2-5 粗脉中黑色泥晶 12.6 2.0 H2-1 白色粗脉 2.0 2.3 L2-6 粗脉中白色亮晶 11.4 10.5 H2-2 白色细脉 2.1 8.4 L2-7 粗脉中灰色泥晶 14.4 0.5 0.11 H2-3 白色细脉 0.1 7.1 L2-8 粗脉中黑色泥晶 13.4 0.9 H2-4 白色粗脉 2.1 2.3 L2-9 粗脉中白色亮晶 16.2 3.8 H2-5 白色粗脉 0.3 5.5 L3-1 粗脉中黑色泥晶 1.5 2.0 H3-1-1 微晶脉 1.2 4.1 L3-2 粗脉中灰白色微亮晶 0.5 2.4 H3-1-2 亮晶脉 1.7 2.3 L3-3 粗脉中白色亮晶 17.1 2.9 H3-1-3 亮晶脉 1.3 0.7 L3-4 粗脉中灰黑色泥微晶 8.6 4.0 0.14 H3-2-1 微晶脉 2.1 1.9 L3-5 粗脉中白色亮晶 8.1 2.6 H322 亮晶脉 1.3 2.1 L3-6 粗脉中白色亮晶 17.8 1.8 H3-2-3 亮晶脉 1.6 1.0 L4-1 粗脉中灰黑色泥晶 0.6 0.7 0.11 H3-3-1 白色细脉 1.1 5.5 L4-2 粗脉中灰白色微亮晶 0.6 2.4 0.25 H4-1 白色细脉 1.9 2.8 L4-3 粗脉中灰黑色泥微晶 0.1 1.9 H4-2 白色细脉 2.9 1.5 L4-4 粗脉中白色亮晶 0.7 1.2 H4-3 白色细脉 3.4 6.5 L4-5 粗脉中灰白色微亮晶 0.5 4.6 LS1 灰黑色基质 12.8 9.7 L4-6 粗脉中灰白色微亮晶 9.5 2.7 LS2 灰黑色基质 10.8 8.9 L8-1 白色细脉 11.6 8.2 注:“”表示未测。编号 L 样品为桥头露头样品,编号 H 样品为采集自虎头山露头样品,编号 LS 样品为十三领露头样品。图 4 利吉蛇纹岩伴生碳酸盐岩的 C、O 同位素组成 Fig.4 Plot of carbon and oxygen isotopic compositions of carbonates associated with serpentinites in Lichi 同期的成因模式得到了广泛认可(Kelley et al.,2005;Ludwig et al.,2006;Artemyev and Zaykov,2010;Lavoie and Chi,2010;Schwarzenbach et al.,2013)。Albers et al.(2019)对马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山顶蛇纹岩块发育的碳酸盐岩脉的研究,认识到有深部俯冲面附近和浅部海底附近形成的 2种碳酸盐岩脉类型。李鸿莉等(2020)通过对台东利吉村附近发育的蛇纹岩碎屑角砾岩的地球化学特征的研究,认为该地区发育的蛇纹岩碎屑角砾岩具有类似于马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山的成因。利吉桥头和虎头山碎屑蛇纹岩中的碳酸盐岩脉发育纤维放射状方解石(图 3),其前身可能是文石,放射状文石是典型海底附近环境形成的矿物(Eickmann et al.,2009a;Peckmann et al.,2013)。此类纤维放射状组构在格陵兰 Isua 地区早太古代蛇纹岩泥火山伴生 碳 酸 盐 岩 脉 以 及 美 国 加 州 海 岸 山脉 Wilbur Springs、Rice Valley 和 New Idria 地区的泥火山成因沉积蛇纹岩基质中均有发育,被认为是蛇纹岩泥火山渗漏流体达到海底的产物(Campbell and Bottjer,1995;Fryer et al.,1995)。此外,方解石脉存在泥微晶团粒及凝块与放射纤维状结构共生现象(图 3)。泥微晶团粒常被认为是微生物泥晶化作用的产物,很可能与碳酸盐矿物沉淀过程中微生物新陈代谢作用引起的局部化学环境差异有关(Peckmann et al.,2005),而且在荧光显微镜下这些团粒和凝块显示较强烈荧光(图 3),指示其中富含有机质,进一步说明其成因与微生物活动 230 2023 年 Geochimica Vol.52 No.2 pp.222237 Mar.,2023 表 2 台东利吉蛇纹岩伴生碳酸盐岩的 REE 及微量元素地球化学结果(g/g)Table 2 Geochemical test results(g/g)of REE and other trace elements of carbonate associated with serpentinite in Lichi,East Taiwan 样品号 H1 H2 H3-1 H3-2 L1 L2-1L2-2L2-3L3-1L3-2 L3-3 L4-1 L4-2L9 分析对象 白色亮晶 白色亮晶 白色亮晶 白色亮晶 灰白色微亮晶灰色泥晶黑色泥晶白色亮晶灰色微晶灰黑色泥晶 白色亮晶 灰色微晶 白色亮晶白色亮晶La 0.09 0.35 0.60 0.26 2.96 0.130.14 0.15 0.170.88 0.08 0.05 0.06 0.16 Ce 0.18 0.51 1.01 0.51 3.90 0.200.20 0.26 0.351.27 0.14 0.09 0.12 0.27 Pr 0.03 0.06 0.12 0.05 0